新型二極管參數(shù)測(cè)試儀性能分析

唐世清，羅 斯，雷新華，陳紀(jì)友，鄧自強(qiáng)

(衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，421010，湖南，衡陽)

0 引言

半導(dǎo)體器件作為現(xiàn)代電子技術(shù)的基本組成部分，以體積小、重量輕、輸入功率小、使用壽命長、功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。二極管是電子電路設(shè)計(jì)中必不可少的部分，對(duì)二極管的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量非常重要，也有利于更好地完成高質(zhì)量電路設(shè)計(jì)。本文基本測(cè)量思路是，在利用普通信號(hào)源供電的情況下，對(duì)接入電路的二極管兩端的電壓和流過二極管的電流進(jìn)行相對(duì)應(yīng)逐步測(cè)量并且繪制成曲線，從而了解二極管的伏安特性。

本測(cè)試儀通過觸摸屏可設(shè)定4種工作模式，分別對(duì)應(yīng)二極管測(cè)試儀測(cè)試二極管的4種工作狀態(tài)，正向特性測(cè)試模式，反向特性測(cè)試模式，二極管極性判斷模式，恒流源測(cè)試模式，各模式間相互轉(zhuǎn)換方便。該電路運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，測(cè)量精度高。

1 性能測(cè)試與分析

1.1 系統(tǒng)測(cè)試方法

1.1.1 DAC8552輸出電壓測(cè)試 基準(zhǔn)源和DAC8552采用7805轉(zhuǎn)換的5 V電源單獨(dú)供電。通過STM32控制DAC8552輸出電壓，并通過六位半萬用表測(cè)得輸出電壓。

1.1.2 STM32單片機(jī)電路測(cè)試 采用鍵盤電路、顯示電路和JTAG電路對(duì)單片機(jī)電路[4-7]進(jìn)行調(diào)試。編寫調(diào)試程序，完成系統(tǒng)時(shí)鐘和看門狗的初始設(shè)置，調(diào)試后單片機(jī)電路工作正常。

1.1.3 電源電路測(cè)試 AD620和運(yùn)放OP172、OPA177用5 V轉(zhuǎn)±15 V升壓模塊供電。用六位半數(shù)字萬用表測(cè)量輸出電壓，穩(wěn)壓值為VCC=+15.002 V，VSS=-15.001 V，ADC8552和基準(zhǔn)源用7805電源提供參考電壓，用萬用表測(cè)得V=5.001 V，符合電路對(duì)電源的要求。

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 極性判斷功能測(cè)試 二極管接入電路后，點(diǎn)擊極性測(cè)試，如果正向接入電路屏幕會(huì)提示“夾具紅色一端為正黑色一端為負(fù)”， 如果二極管是反向接入則會(huì)提示“反接請(qǐng)拔出”，經(jīng)測(cè)試該功能正常。

圖1 DAC和基準(zhǔn)

圖2 DAC步進(jìn)輸出電壓曲線圖

1.2.2 二極管正向伏安特性與反向擊穿電壓測(cè)試

1)測(cè)試過程。

①利用伏安法手動(dòng)的測(cè)試二極管正向伏安特性，該電路選用電流表外接法，并手動(dòng)記錄二極管的電壓和電流數(shù)據(jù)。

②利用伏安法手動(dòng)測(cè)試二極管反向伏安特性，該電路選用電流表內(nèi)接法，并手動(dòng)記錄二極管的電壓和電流數(shù)據(jù)。

③利用二極管參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試二極管的伏安特性，點(diǎn)擊觸摸屏控制恒流源模塊輸出一定規(guī)律的電流，同時(shí)采集二極管兩端電壓，在液晶顯示屏上顯示二極管正向伏安特性曲線，再一次點(diǎn)擊觸摸屏，利用繼電器實(shí)現(xiàn)二極管正反向切換，利用數(shù)控電壓模塊提供步進(jìn)電壓，利用A/D通道采集串聯(lián)在二極管上的電阻電壓值，從而計(jì)算出流過二極管的電流。

④將伏安法測(cè)得數(shù)據(jù)輸入到軟件中，畫出二極管的伏安特性曲線。

⑤將二極管參數(shù)測(cè)試儀測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，二極管的電壓不變，二極管的電流通過電阻兩端的電壓除以電阻值計(jì)算得出，并用軟件繪制二極管的正向伏安特性曲線。

2)測(cè)量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析。

①按上述測(cè)試條件，首先采用傳統(tǒng)伏安法測(cè)量型號(hào)1N4735A二極管的伏安特性，測(cè)試環(huán)境：固緯GPD-3303D電源、固緯GDM-8135萬用表。

測(cè)得正向伏安特性數(shù)據(jù)如表1所示。正向?qū)妷杭s0.75 V；反向時(shí)，逐步增大電壓到10 V，數(shù)據(jù)如表2所示。利用軟件處理數(shù)據(jù)，得到二極管的伏安特性曲線，如圖3所示。

表1 伏安法對(duì)1N4735A二極管正向測(cè)試結(jié)果

表2 伏安法對(duì)1N4735A二極管反向測(cè)試結(jié)果

圖3 伏安法測(cè)試二極管特性曲線

②用二極管參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量型號(hào)為1N4735A二極管的伏安特性[8-10]。測(cè)試環(huán)境：軟件：Keil uVision5。硬件：STM32F103ZET6開發(fā)板、2.8寸TFT屏。

記錄電壓電流數(shù)據(jù)如表3所示，用二極管參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量1N4735A二極管的反向伏安特性，記錄電壓和電流數(shù)據(jù)，如表4所示。電流值是通過電阻上的電壓值除以電阻值計(jì)算得出，利用軟件畫出1N4735A二級(jí)管的伏安特性曲線如圖4所示。

圖4 本測(cè)試儀繪制的特性曲線

表3 本測(cè)試儀對(duì)1N4735A二極管正向測(cè)試結(jié)果

表4 本測(cè)試儀對(duì)1N4735A二極管反向測(cè)試結(jié)果

把伏安法與二極管參數(shù)測(cè)試儀的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理畫出兩者的對(duì)比圖，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。通過比較傳統(tǒng)伏安法手動(dòng)測(cè)試結(jié)果與二極管參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者測(cè)量結(jié)果基本一致。

1.2.3 恒流源的電路測(cè)試 測(cè)試電路中R1取25 K則電壓放大倍數(shù)為：

(1)

控制DAC8552輸出電壓使電流按0.1 mA和1 mA步長增長(各組數(shù)據(jù)用雙線分開)，使用六位半萬用表34410A串聯(lián)500 Ω負(fù)載電阻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表5前2組數(shù)據(jù)所示；使電流按10 mA步長增長(數(shù)據(jù)用雙線分開)，使用六位半萬用表34410A串聯(lián)50 Ω負(fù)載電阻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表5 最后2組數(shù)據(jù)所示。

圖5 伏安法與本裝置特性曲線比較

表5 恒流源誤差測(cè)試

由以上數(shù)據(jù)表明本設(shè)計(jì)恒流源在接入500 Ω負(fù)載時(shí)輸出電流從0.1～200 mA的誤差小于0.1%，在接入50 Ω負(fù)載時(shí)輸出電流從10～200 mA的誤差也小于0.1%。

2 結(jié)論

二極管作為一種最基本的半導(dǎo)體元件，是電子電路設(shè)計(jì)中必不可少的部分。傳統(tǒng)測(cè)量二極管伏安特性的方法有電橋法和伏安法等，這幾種方法操作繁瑣、耗時(shí)。因此設(shè)計(jì)一款操作簡單、測(cè)量準(zhǔn)確、成本低廉的二極管參數(shù)測(cè)試儀很有必要。本設(shè)計(jì)的主要的工作如下：

1)分析了當(dāng)前測(cè)量二極管伏安特性的現(xiàn)狀以及設(shè)計(jì)一種二極管參數(shù)測(cè)試儀可行性。

2)對(duì)比幾種測(cè)量二極管的方法最終選擇用恒流源測(cè)二極管正向特性曲線。

3)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的硬件電路，硬件電路主要包括恒流源模塊和繼電器模塊。

4)以STM32單片機(jī)為核心，充分利用STM32高性能、低成本的優(yōu)勢(shì)使得整個(gè)儀器價(jià)格低且性能穩(wěn)定，并充分利用了軟件編程方便靈活的特點(diǎn)使得硬件電路簡單易調(diào)試，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

測(cè)量儀器的智能化、自動(dòng)化是未來必然的一種趨勢(shì)，本設(shè)計(jì)適應(yīng)了該趨勢(shì)，具有操作簡單、測(cè)量準(zhǔn)確和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。